Daniel Vaquero et al, «Phonon-mediated room-temperature quantum Hall transport in graphene», publicado en Nature Communications ha sido seleccionado como uno de los 2 artículos destacados del semestre Octubre-Marzo 2023.
El efecto Hall cuántico (QHE) en sistemas bidimensionales ha sido uno de los efectos más estudiados en el área de la física de la materia condensada desde su descubrimiento. Cuando un material bidimensional es sometido a un campo magnético perpendicular los niveles de energía permitidos se cuantizan y aparecen los denominados niveles de Landau. Este efecto ha tenido una gran importancia en la física más fundamental y en aplicaciones de metrología. Normalmente se observa a temperaturas criogénicas, donde las vibraciones de la red (fonones) están muy suprimidas, permitiendo resolver los diferentes niveles de Landau o factores de llenado. A estas temperaturas el principal mecanismo de scattering de los portadores de carga es el desorden, por lo tanto, el régimen donde se estudia normalmente el QHE está dominado por el desorden. Sin embargo, el grafeno es un material que tiene una separación entre los niveles de Landau muy grande, por lo tanto, aplicando un campo magnético alto es posible observar el QHE a temperatura ambiente [1] en dispositivos de grafeno (Gr) exfoliado sobre oxido de silicio (Si). En los últimos años la posibilidad de formar dispositivos uniendo diferentes materiales de Van der Waals ha permitido la realización de dispositivos de grafeno de alta calidad, utilizando nitruro de boro hexagonal (h-BN) para encapsularlo formando heteroestructuras de h-BN/Gr/h-BN, reduciendo el desorden drásticamente si se comparan con los dispositivos de Gr/SiO2.
La reducción del desorden permite acceder a diferentes fenómenos de transporte dominados por la interacción electrón-fonón, pudiendo dominar la activación del QHE si medimos a temperaturas donde la población de fonones no sea despreciable (panel a)). En este trabajo hemos realizado el estudio de la activación en función de la temperatura del QHE (centrándonos en el factor de llenado ν=2) a temperatura ambiente, aplicando altos campos magnéticos (30 T) en el HFML de Nijmegen y demostrando que la activación del QHE en grafeno de alta calidad está mediado por los fonones.
En estos dispositivos también es posible apreciar el QHE a temperatura ambiente, como podemos observar en el panel b), apareciendo un mínimo en la resistencia longitudinal del dispositivo y un pequeño cambio en la transversal.
En el panel c) se representa el transporte de las diferentes muestras mostrando que las movilidades son mucho mayores que en muestras de Gr/SiO2 y además que el scattering debido al desorden es de muy largo alcance, siendo dominantes los fonones [2]. Esto se demuestra observando la dependencia lineal entre la inhomogeneidad de carga y la movilidad. Además, las cuatro muestras (D1-D3 fabricadas en la sala blanca de la Universidad de Salamanca y D4 en la Universidad de Aachen) están claramente ordenadas de menor a mayor influencia del desorden desde D4 a D1.
A continuación, realizamos un estudio de la activación del efecto hall cuántico variando la temperatura (panel d)) y observamos como la resistencia longitudinal disminuye hasta llegar a 0, estando el factor de llenado ν=2 completamente activado. Comparando la activación (panel e)) de nuestras muestras con las de Gr/SiO2 [3], observamos claramente dos comportamientos. El teorizado para la activación del QHE debido al desorden [4] y el debido únicamente al scattering electrón-fonón [5] para nuestras muestras de alta calidad h-BN/Gr/h-BN. También se puede observar claramente que a medida que el desorden aumenta la activación se aleja del límite fonónico. Para cuantificar esto utilizamos un modelo en el que combinamos la activación mediada por fonones y por el desorden, cuantificando así la influencia del desorden con el parámetro ρD (panel e)). Observamos que ρD aumenta a medida que disminuye la calidad de las muestras.
En conclusión, en este trabajo [6] mostramos evidencia experimental de la dispersión de electrón-fonón predominante en el régimen del QHE. Esto se logra mediante la combinación única de fuertes campos magnéticos, altas temperaturas y encapsulación de grafeno con hBN, demostrando que la mitigación del desorden a través de la ingeniería de van der Waals proporciona nuevos conocimientos sobre los mecanismos de transporte en este fenómeno.
REFERENCIAS
[1] Novoselov, K. S.; Jiang, Z.; Zhang, Y.; Morozov, S. V.; Stormer, H. L.; Zeitler, U.; Maan, J. C.; Boebinger, G. S.; Kim, P.; Geim, A. K. Room-Temperature Quantum Hall Effect in Graphene. Science (80-. ). 2007, 315 (5817), 1379. https://doi.org/10.1126/science.1137201. [2] Couto, N. J. G.; Costanzo, D.; Engels, S.; Ki, D. K.; Watanabe, K.; Taniguchi, T.; Stampfer, C.; Guinea, F.; Morpurgo, A. F. Random Strain Fluctuations as Dominant Disorder Source for High-Quality on-Substrate Graphene Devices. Phys. Rev. X 2014, 4 (4), 1–13. https://doi.org/10.1103/PhysRevX.4.041019. [3] Giesbers, A. J. M.; Zeitler, U.; Katsnelson, M. I.; Ponomarenko, L. A.; Mohiuddin, T. M.; Maan, J. C. Quantum-Hall Activation Gaps in Graphene. Phys. Rev. Lett. 2007, 99 (20), 4–7. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.99.206803. [4] Polyakov, D. G; Shklovskii, B. I. Activated conductivity in the quantum Hall effect. Physical review letters 1994, 73(8), 1150. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.73.1150 [5] Alexeev, A. M.; Hartmann, R. R.; Portnoi, M. E. Two-Phonon Scattering in Graphene in the Quantum Hall Regime. Phys. Rev. B – Condens. Matter Mater. Phys. 2015, 92 (19), 1–6. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.92.195431. [6] Vaquero, D.; Clericò, V.; Schmitz, M.; Delgado-Notario, J. A.; Martín-Ramos, A.; Salvador-Sánchez, J.; Müller, C. S. A.; Rubi, K.; Watanabe, K.; Taniguchi, T.; Beschoten, B.; Stampfer, C.; Diez, E.; Katsnelson, M. I.; Zeitler, U.; Wiedmann, S.; Pezzini, S. Phonon-Mediated Room-Temperature Quantum Hall Transport in Graphene. Nat. Commun. 2023, 14 (1), 318. https://doi.org/10.1038/s41467-023-35986-3.